舰船激光电弧复合焊的应用技术研究

赵勇杰 莫崇君 韦勇 聂黎军 黄家勇

摘    要：提高船舶焊接技术水平，对缩短舰船建造周期、降低舰船生产成本、提高舰船质量具有非常重要的意义。激光-电弧复合焊是一种非常高效的焊接技术，可以促进舰船高质量、高效率建造。本文介绍激光-电弧复合焊在国内外工程化应用的现状，分析其在舰船建造中的优势，突破了其在工程化应用中的部分关键技术，为激光-电弧复合焊接技术应用于船舶建造领域提供了依据。

关键词：激光-电弧复合焊;工程化应用;舰船建造

中图分类号：U671.8                              文献标识码：A

Abstract： Welding technology is closely related to the shipbuilding capacity of shipyards. Improving welding technology is of great significance to shorten the construction period of ships， reduce production costs of ships and improve ship quality. Laser-arc hybrid welding is an efficient welding technology with great development potential， which can guarantee the high-quality and high-efficiency construction of ships. This paper summarizes the application status of laser-arc hybrid welding at domestic and abroad， analyzes the advantages of laser-arc hybrid welding technology in shipbuilding， solves the key technical problems of the laser-arc hybrid welding engineering application， and provides a basis for the application of laser-arc hybrid welding technology in shipbuilding.

Key words： Laser-arc hybrid welding; Engineering application; Shipbuilding Research on application technology of ship laser - arc composite Welding

1     前言

焊接技术是船舶建造领域的基础技术之一。在舰船建造中，焊接耗费的工时约占船舶建造总工时的三分之一左右。因此，提高焊接技术水平对于缩短舰船建造周期、降低舰船建造成本、提高舰船建造质量具有非常重要的意义。激光-电弧复合焊是极具发展潜力的高效焊接技术，相比传统的焊接模式具有很大的优势，因此受到众多船舶企业的高度关注。

在20世纪70年代，英国W.Steen教授將激光焊和电弧焊叠加在一起同时焊接一道焊缝，并得到了高质量焊缝，由此提出了激光-电弧复合焊接技术[2]，其焊接示意图，如图1所示。后期的实验研究发现，这种模式并不只是简单叠加了单一激光焊的焊接速度快、熔化深度大、焊接变形小和单一电弧焊的输入热量大、母材搭桥宽等特点[1]，更有两者间的相互作用：激光产生的匙孔可以引导、稳定电弧，有利于聚焦能量;而电弧可以稀释等离子体，减弱等离子体对激光能量的反射和吸收。因此，激光-电弧复合焊一方面弥补了单一焊接模式的缺点，另一方面还充分利用了两种焊接模式的各自优点[3]，是一种新型的高效复合焊接模式。目前复合焊接技术已经开展了广泛研究，并取得了较大成就，但在企业生产的工程化应用方面还存在诸多问题有待解决。

针对激光-电弧复合焊接技术在实际生产中的工程化应用问题，本文简要对比了该技术在国内外企业的工程化应用现状，分析了该技术在舰船建造中的优势。以某船舶总装厂的自动拼板、复合焊接生产线为例，重点介绍该技术在工程化应用中的关键技术难题并提出了解决方案，取得满足船舶标准要求的高质量焊缝。

2   激光-电弧复合焊技术在国内外的工程化应用现状

激光-电弧复合焊在国外的发展较为成熟，早在1994年，德国Meyer船厂就开始研究激光复合焊接工艺的工程化应用问题，在2001年底正式投入使用，成为激光复合焊接生产线应用最早、最成功的国家;在丹麦Odense造船厂也配备了一台集成有机床切割功能的12 kW CO2激光-熔化极气体保护焊接设备，实现了装配、焊接一体化;德国的Kvaerner Warnow船厂和Kvaerner Masa船厂在老旧淘汰的设备基础上改装了激光-电弧复合焊设备并投入生产;美国弗克特里船厂建造了一条集激光切割和激光焊接一体化的船板生产线，可以实现12 m×12 m大板的切割、拼装和焊接;在军用舰船上，美国已经成熟利用CO2激光焊接技术修复航空母舰的导架盖板，并将激光焊接的型材应用于反潜轻型巡洋舰的加强肋板和驱逐舰的防空导弹支架[5]。

国内的激光-电弧复合焊技术起步较晚，经过近二十年的研究目前已取得了良好成绩，并逐步推广应用于汽车工业、轨道交通、矿山机械等领域。如：徐工集团成功开发了国内第一套激光-电弧复合焊接技术，并用于焊接大型轮式起重机的伸臂纵焊缝;哈尔滨焊接研究院联合青岛四方机车车辆股份有限公司研发的激光-电弧复合焊接技术，成功应用于地铁枕梁和高速列车车体的焊接等[2]。但在我国舰船建造领域，由于设备昂贵、装配要求高、工艺复杂等多种因素影响，激光-电弧复合焊的工程化应用目前还非常稀少。

3   激光-电弧复合焊技术在舰船建造中的优势分析

激光-电弧复合焊综合了单一激光焊和单一电弧焊的优点，改善了传统单一焊接的缺点。如：激光束可以增加电弧电离度，引导电弧能量聚焦，改善焊缝成形效果;而电弧焊可以弥补激光焊的装配精度限制，提高母材的搭桥能力，增加工件装配间隙的适应范围。两种焊接方式优势互补，达到了“1+1>2”的协同增强效果。在舰船建造中，具体表现出以下几方面的优势：                                                                                                                                                     （1）激光-电弧复合焊的焊缝熔深大、接头探伤合格率高，可减少质量监督不可控风险;对于较厚板材的焊接，传统手工弧焊工艺需要采用多层多道焊完成，焊接过程中容易产生气孔、夹渣等缺陷，焊接变形大、焊接效率低，而且焊接质量对操作人员的依赖程度高，质量稳定性不可控;而激光-电弧复合焊的匙孔效应使其具有深熔焊的特点，可实现较厚板材的单道一次性焊接，而且焊接后板材变形小、焊缝质量高，提高了焊接效率;

（2）激光-电弧复合焊的焊接接头机械性能优良，可增强船体结构可靠性。对于船体结构钢材，由于传统电弧焊接方式的热量输入大，造成热影响区宽且晶粒粗大，导致焊接接头力学性能差;而激光-电弧复合焊焊接速度快、能量束集中，得到的焊缝组织致密，所以焊缝的显微硬度、拉伸强度、冲击韧性、抗疲劳性均有所提高[6];

（3）激光-电弧复合焊的可焊材料范围广、适用条件宽，具有良好的应用普适性。这种复合焊接模式既可利用激光焊的能量集中、深熔焊的特点，焊接较厚的板材，厚度范围可达2～20 mm;也可利用电弧焊的热辐射区大、宽熔焊的特点，增加母材的搭桥能力，焊接间隙可达到0～1 mm;另外，除了适用于船用钢材以外，还适用于其它有色金属的焊接（如铝合金等），拓宽了焊接适用范围，增加了焊接应用场景;

（4）激光-电弧复合焊接技术具有高度柔性，易于自动化、智能化。在传统生产中，船体结构的钢材从下料、坡口切割、定位装配、焊接以及焊后的火攻矫正都在不同工位，其中两个工位间的转置运输都可能对产品造成变形和损伤，增加了产品的次品率;而激光-电弧复合焊自动化程度高，易于集成化、数字化、智能化，利用智能管控系统和物料传输系统将传统各工位串联起来，使船体结构用钢的下料、坡口切割、定位装配、自动焊接集成在一条生产线上，实现全自动化生产，利用参数化管理，有利于保证舰船的高质量生产。

4    激光-电弧复合焊在舰船建造中推广应用的关键技术

某船舶总装厂为了提高焊接水平，引进了可满足焊缝长达8 m的自动拼板、复合焊接生产线。虽然激光-电弧复合焊技术的理论研究在实验室已取得较大成就，但在工程实际中仍存在较多关键技术问题，主要体现在薄壁结构长直焊缝的超窄间隙控制、焊缝识别与跟踪、焊接工艺参数优化匹配等方面。

4.1   薄壁结构长直焊缝的超窄间隙控制技术

激光-电弧复合焊对板材拼装的装配要求高，装配间隙需控制在0～1 mm以内，错边不得大于板厚的1/10。板材焊缝越长，则拼接间隙和错边就越难保证。特别是对于薄壁长焊缝结构，当板材达到数米长时，板材端面极小的不平整都会使得工件拼接间隙超差，导致焊接过程不稳定和焊接缺陷产生。例如：意大利的Fincantieri船厂由于板材的拼接面加工达不到要求，使得焊缝间隙超差，导致引进的一条用于平板拼接的激光加工焊接生产线未能成功投入生产[5]。因此，激光-电弧复合焊的推广应用首先要解决长直焊缝的装配间隙控制问题。以某船舶总装厂为例，其在某型舰船上层建筑壁板拼焊过程中，采用了激光切割方式或在焊接之前增加端面铣边工序来保证端面平齐、间隙稳定，同时在薄壁结构吊装过程中，采用托盘平吊等方式来保证工件平整，从而保证了薄壁构件长直焊缝无错边、零间隙的焊接工作顺利进行。

4.2   超窄间隙焊缝识别与跟踪技术

超窄间隙焊缝识别与跟踪技术，也是实现激光-电弧复合焊接的关键技术之一。焊缝跟踪系统是根据工件间隙判断焊缝位置而进行识别跟踪，当拼接间隙小于系统识别极限时，系统就无法识别待焊缝间隙。目前，某舰船总装厂基本实现了船体薄壁构件长直焊缝的零间隙装配，但因焊缝跟踪系统识别极限为0.5 mm而导致长直焊缝无法有效识别，使得焊缝偏离。因此，对于超窄间隙的焊缝跟踪问题，某舰船总装厂通过对待焊工件待焊接部位加工出0.3～0.5 mm的小倒角以获得间隙为0.6～1 mm的小坡口来保证焊缝能够准确识别，从而保证了焊接顺利进行。

4.3   焊接工艺参数优化匹配

虽然激光-电弧复合焊集成了激光焊和电弧焊的优势，但两种焊接技术的糅合导致影响焊接质量的因素变得更为复杂，因此要保证焊接得到高质量焊缝，工艺参数的优化匹配也是关键一步。在焊接过程中，除了需要考虑激光焊的激光功率、离焦量等参数与电弧焊的电压、电流、送丝速度、保护气体的成分和气流量等参数匹配，还要考虑激光焊和电弧焊的耦合作用，如激光焦点和焊丝的距離、激光束与焊丝的位置角度、焊接速度等。因此，舰船总装厂必须开展不同板材激光-电弧复合焊工艺优化研究，获得满足要求的舰船用钢激光-电弧复合焊接工艺。

目前，某舰船总装厂突破了超窄间隙控制、焊缝识别与跟踪、焊接工艺参数优化匹配等关键技术，掌握了船体薄壁结构长直焊缝激光-电弧复合焊技术之后，使用自动拼板、复合焊接生产线得到的焊缝成形良好、飞溅少、完全焊透、无裂纹和未融合缺陷。经理化实验检测，焊缝接头的拉伸、弯曲、冲击和硬度力学性能均满足船用要求。

5    激光-电弧复合焊的应用前景

由上可见，激光-电弧复合焊作为一种极具发展潜力的焊接技术，具有热输入小、焊接熔深大、焊接变形小等优点，可实现中薄板（2～12 mm）的单道焊接;与传统电弧焊相比，焊接速度提高、自动化程度高、受人为因素影响小、焊缝探伤一次合格率高、机械性能优良。激光-电弧复合焊技术的成功应用，可实现舰船平直外板、甲板、上建外围壁等结构的高效率高质量焊接，确保舰船建造周期，为我国舰船高质量、高效率建造提供有力保障。

参考文献

[1]邓剑锋.船舶焊接自动化的研究与应用[J]，船舶物资与市场，2019    （4）：35-36.

[2]雷振，徐良，徐富家，杨海锋，王旭友.激光-电弧复合焊接技术     国内研究现状及典型应用[J]，焊接，2018（12）：1-6+65.

[3]赵耀邦，成群林，徐爱杰，张小龙，欧阳自鹏.激光-电弧复合焊     接技术的研究进展及应用现状[J]，航天制造技术，2014（04）：11-     14.

[4]张文毓.船舶焊接技术的研究现状与应用[J].现代焊接，2016（12）：1-5.

[5]王凯，朱加雷，焦向东，王纪兵，蔡源超.激光焊接技术在船舶制造中     的发展及应用现状[J].电焊机，2017，47（02）：58-64.